復雜地質條件下深挖路塹邊坡的設計

李鳳嶺

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 項目概況

1.1 地理位置

汕湛高速公路是廣東省高速公路網規(guī)劃“十縱五橫兩環(huán)”之“第二橫”的重要組成部分，是構筑珠江三角洲通往粵西地區(qū)的第二通道。汕湛高速公路A1設計合同段（K0+000—K41+661.242）總體呈東北—西南走向，起自云浮市新興縣，終點位于陽春市松柏鎮(zhèn)。

1.2 設計標準

本路段采用四車道高速公路技術標準，設計速度100 km/h，整體式路基寬度為26 m，分離式路基寬度為13 m，橋涵設計荷載等級采用公路-Ⅰ級。

1.3 深挖路塹邊坡統(tǒng)計

深挖路塹邊坡共51處，邊坡最大高度為61.3 m，詳見表1。

表1 深挖路塹邊坡統(tǒng)計一覽表

2 工程地質條件

2.1 地形、地貌

本項目以天堂鎮(zhèn)為界，K0+000—K27+700段以低山丘陵及山間洼地為主；K27+700—K41+66段主要為河谷平原侵蝕堆積地貌和巖溶溶蝕準平原穿插少量低山丘陵。深挖路塹邊坡具體情況為K0+000—K27+700段50處，K27+700—K41+661段1處。

2.2 氣象、水文

本項目屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫22℃～23.2℃，無霜凍或霜期短；年均降雨量1 500～2 000 mm，多臺風暴雨。區(qū)內水系比較發(fā)育，河網密度平均0.5～0.6 km/km2，匯水面積大。沿線地下水較為發(fā)育，埋藏深度不大，主要可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水三大類。

2.3 地質構造及地震

本項目位于華南加里東褶皺系粵西隆起帶內，大地構造處于四會—吳川斷褶帶中西段，區(qū)域內地質構造多呈北東或近北東走向。

地震動峰值加速度值為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度為Ⅵ度。

2.4 地層巖性

沿線出露的地層較多，變化復雜，按從新至老排列依次為：第四系、第三系、石炭系、泥盆系、寒武系等地層，詳見表2（見19頁）。

3 深挖路塹邊坡設計[1]

3.1 深挖路塹邊坡分類

根據邊坡巖土體組成將本項目深挖路塹邊坡分為土質邊坡（3處）、巖質邊坡（7處）和土石混合二元結構邊坡（41處）三大類，見圖1。

表2 地層巖性及其主要工程地質問題

圖1 邊坡巖土類型統(tǒng)計

3.2 設計方法及內容

基于邊坡設計的基本原則和常用方法，結合本項目的工程特點，設計中采用工程地質類比法和數值分析計算法相結合的綜合分析設計方法。

3.2.1 工程地質類比法

主要參考周邊地區(qū)“羅陽高速”、“江羅高速”、“廣梧高速”等項目及當地現有工程的成功經驗，結合地質、水文及坡體結構狀態(tài)對邊坡的穩(wěn)定性進行分析和設計。主要設計思路為：地形較緩時，放坡減載；地形陡峭時，為避免“薄皮刷坡”，采用“弱削方、強支擋”的設計方案。

3.2.1.1 坡型

邊坡總體采用臺階式坡型設計方案，分級高度8～12 m，各級臺階之間設置緩沖平臺，寬度分別為2 m、4 m、6 m及 8m。

3.2.1.2 坡率

本項目中深挖路塹邊坡以“土石混合二元結構邊坡”及“巖質邊坡”為主，占總量的94%。當邊坡處在全、強風化地層中，坡率設計較緩，采用1∶1～1∶1.25；中風化巖層和碎塊狀強風化巖層中坡率采用 1∶0.75，詳見表3。

表3 坡高、坡率參照表

3.2.2 數值分析計算法[2]

數值分析計算法是在工程地質類比評估結果的基礎上，采用數值分析的方法，計算邊坡的穩(wěn)定程度或穩(wěn)定系數，以定量計算結果輔助定性分析和評價。

首先應根據風化程度、巖層產狀、貫通節(jié)理面產狀、地下水水位及發(fā)育程度、巖體膠結物質、泥質含量等主要因素確定邊坡失穩(wěn)破壞模式。確定合理的破壞模式之后，再對潛在滑動面進行分析判斷，并進行穩(wěn)定性計算，完善坡型坡率設計，設置合理的支擋加固措施。

計算過程中除考慮正常工況外，部分高邊坡還應對非正常工況（飽和狀態(tài)）下的穩(wěn)定性進行驗算。飽和狀態(tài)參數選取，應根據邊坡高度、地質條件、匯水面積、巖土體滲透性等多種因素綜合考慮。重點復雜邊坡計算取值時采用較大的折減系數；坡高較小、地質條件較好的常規(guī)路塹高邊坡可適當提高折減幅度，然后在此基礎上按天然狀態(tài)穩(wěn)定系數K＞1.2控制，暴雨工況采用穩(wěn)定系數K＞1.1進行復核。

3.2.2.1 計算方法選取的原則

a）規(guī)模較大的碎裂結構巖質邊坡和土質邊坡采用變化Bishop法計算。

b）可能產生支線破壞的邊坡采用平面滑動面解析法進行計算。

c）可能產生折線形破壞的邊坡采用不平衡推力法計算。

d）結構復雜的巖質邊坡，可配合采用赤平投影法和實體比例投影法分析及楔形滑動面法進行計算。

3.2.2.2 設計參數建議值

本項目進行數值分析計算時，主要采用的巖土體力學參數指標如表4所示。

表4 巖土體力學參數建議值

3.2.2.3 數值分析計算結果

對工程類比法定性分析得出的設計內容進行數值分析驗算后得出如下結論：未進行防護支擋情況下，51處深挖路塹邊坡中，穩(wěn)定邊坡14處，基本穩(wěn)定邊坡25處，欠穩(wěn)定邊坡12處。

3.2.3 防護加固設計

通過以上分析判斷，可確定邊坡的安全系數、穩(wěn)定狀態(tài)及其發(fā)展趨勢。以此為依據，對不同狀態(tài)下的邊坡進行有針對性的防護加固設計。防護加固應遵循“減載、固腳、強腰、排水、綠化”的設計原則。防護措施的選擇應該簡單有效，經濟合理，不但要滿足設計要求，還應考慮施工的難易程度、材料的價格及儲量，施工進度等多方面因素。

3.2.3.1 穩(wěn)定邊坡

K27+140—K27+255左側為穩(wěn)定性邊坡，縱向長度115.0 m，高度35.3 m，分為4級。該段邊坡防護加固措施：1級邊坡（坡率1∶1）采用客土噴播植草護坡；2、3級邊坡（坡率1∶1）采用人字型骨架植草防護加固；4級邊坡（坡率1∶1.25）采用CF生態(tài)網防護，如圖2。

圖2 穩(wěn)定狀態(tài)邊坡典型段落

3.2.3.2 基本穩(wěn)定邊坡

K16+660—K16+772左側為基本穩(wěn)定性邊坡，縱向長度112.0 m，高度35.6 m，分為4級。該段邊坡防護加固措施：1級邊坡（坡率1∶1）采用錨桿格子梁防護，錨桿長度11.5 m；2、3級邊坡（坡率1∶1）采用人字型骨架植草防護；4級邊坡（坡率1∶1.25）采用CF生態(tài)網防護，如圖3。

圖3 基本穩(wěn)定狀態(tài)邊坡典型段落

3.2.3.3 欠穩(wěn)定邊坡

ZK9+280—ZK9+440左側為欠穩(wěn)定性邊坡，縱向長度160.0 m，高度55.8 m，分為6級。該段邊坡防護加固措施：1級邊坡（坡率1∶0.75）采用錨桿格子梁加固，錨桿長9.0 m；2級邊坡（坡率1∶0.75）采用預應力錨索格子梁加固，錨索長26.0 m；3級邊坡（坡率1∶1）采用客土噴播植草護坡；4級邊坡（坡率1∶1）采用預應力錨索格子梁加固，錨索長28.0 m；5級邊坡（坡率1∶1）采用人字型骨架植草防護；6級邊坡（坡率1∶1.25）則采用CF生態(tài)網防護，如圖4（見22頁）。

4 結語

深挖路塹邊坡的安全穩(wěn)定在高速公路的建設與運營中都起著至關重要的作用。在設計過程中應因地制宜，充分考慮影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，不僅要對邊坡的坡型坡率、防護加固形式進行優(yōu)化設計，還應對高邊坡的防排水、動態(tài)監(jiān)測等內容引起足夠的重視。

圖4 欠穩(wěn)定狀態(tài)邊坡典型段落